RU30855U1

RU30855U1 - CATALYTIC COLLECTOR OF THE EXHAUST SYSTEM OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Info

Publication number: RU30855U1
Application number: RU2002134235/20U
Authority: RU
Inventors: Ю.Н. Шепилов; В.К. Гааг; В.Р. Короляк; А.В. Молянов; Д.Б. Терентьев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "РОССКАТавто"
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2003-07-10

Description

i&Ljni - г з s. -3 Ij tr Iti & Ljni - r s s. -3 Ij tr It

МПК7 F01N 7/10, F01N 3/28MPK7 F01N 7/10, F01N 3/28

КАТАЛИТИЧЕСКИЙ КОЛЛЕКТОР СИСТЕМЫ ВЫХЛОПА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯCATALYTIC COLLECTOR OF THE EXHAUST SYSTEM OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Полезная модель относится к области машиностроения, преимущественно автомобилестроению, в частности к средствам снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС).The utility model relates to the field of mechanical engineering, mainly to the automotive industry, in particular to means for reducing the toxicity of exhaust gases of internal combustion engines (hereinafter ICE).

Современные требования по допустимому уровню токсичности отработавших газов автомобильных двигателей внутреннего сгорания обусловили введение в конструкцию тракта системы выхлопа каталитических нейтрализаторов.Current requirements for the permissible level of toxicity of exhaust gases from automobile internal combustion engines have led to the introduction of a catalytic converter exhaust system into the duct design.

В настоящее время нашли широкое распространение две концепции конструктивного построения каталитических нейтрализаторов - с керамическими и металлическими блоками-носителями.Currently, two concepts of the constructive construction of catalytic converters are widely used - with ceramic and metal carrier blocks.

Нейтрализаторы с керамическими блоками-носителями представляют собой достаточно сложную конструкцию, что вызвано прежде всего тем, что коэффициенты теплового расширения керамики и металла (из которого изготовлен корпус нейтрализатора) значительно отличаются. Поэтому между блоком-носителя и корпусом устанавливаются различные по конструктивному исполнению температурные компенсаторы, в виде, например, прокладок, крепёжных матов и др., с применением специальных клеевых составов, см. Европейскую заявку № 0366484, МКМ F01N 3/28, публ. 02.05.90. Существует много проблем, связанных с обеспечением долговечности и надёжности работы термических компенсаторов, материал которых подвергается разрушительному воздействию горячих, химически активных отработавших газов.The neutralizers with ceramic carrier blocks are a rather complicated design, which is caused primarily by the fact that the thermal expansion coefficients of ceramics and metal (of which the converter body is made) are significantly different. Therefore, temperature compensators of various design types are installed between the carrier block and the housing, for example, in the form of gaskets, fixing mats, etc., using special adhesive compositions, see European Application No. 0366484, MKM F01N 3/28, publ. 05/02/90. There are many problems associated with ensuring the durability and reliability of thermal compensators, the material of which is subjected to the destructive effect of hot, chemically active exhaust gases.

Конструкции нейтрализаторов с керамическими блоками отличаются не только высокой стоимостью в изготовлении, но и значительными массогабаритными показателями, что делает весьма проблематичным использование их на современных легковых автомобилях, в условиях стеснённого пространства как в моторном отсеке, так и между днищем автомобиля и дорогой, поскольку для выполнения жёстких норм по токсичности требуется увеличение размеров блоковносителей.The designs of the neutralizers with ceramic blocks are not only of high manufacturing cost, but also significant weight and size indicators, which makes it very problematic to use them in modern cars, in cramped spaces both in the engine compartment and between the bottom of the car and the road, since stringent toxicity standards require an increase in the size of blocking agents.

Более прогрессивной конструкцией нейтрализатора, с точки зрения упрощения конструкции, снижения стоимости изготовления, надёжности и долговечности является устройство нейтрализатора с металлическим блокомносителем.A more advanced design of the converter, from the point of view of simplifying the design, reducing manufacturing costs, reliability and durability is the device of the converter with a metal block carrier.

В качестве примера можно привести каталитический нейтрализатор, описанный в авторском свидетельстве СССР № 1483064, МКИ4 01N 3/28, БИ 20/89, содержащий корпус с впускным и выпускным патрубками и металлический блок-носитель катализатора, установленный в корпусе и состоящий из двух лент, внутренняя из которых выполнена гофрированной, а внешняя - гладкой, причём ленты намотаны вокруг центрального тела, соединённого с корпусом при помощи радиальных спиц, расположенных со стороны торцов блока-носителя. Блокноситель закреплён в корпусе посредством специальных бандажей, закреплённых сваркой на корпусе, при этом бандаж внахлёст контактируя с боковыми стенками блока-носителя неподвижно фиксируют его в осевом направлении. Патрубки закреплены на корпусе посредством фланцевого соединения крепёжными элементами.An example is the catalytic converter described in USSR author's certificate No. 1483064, MKI4 01N 3/28, BI 20/89, comprising a housing with inlet and outlet pipes and a metal catalyst carrier block mounted in the housing and consisting of two tapes, the inner one is made of corrugated, and the outer one is smooth, and the tapes are wound around a central body connected to the body using radial spokes located on the side of the ends of the carrier block. The blocking carrier is fixed in the housing by means of special brackets fixed by welding on the housing, while the bandage overlappingly contacting the side walls of the carrier block fixedly fix it in the axial direction. The nozzles are fixed to the housing by means of a flange connection with fasteners.

Анализируя описанное устройство можно отметить сложность его конструкции, которая обуславливает неоптимальность массо-габаритных показателей. Одновременно с этим, наличие монтажных бандажей приводит к неоптимальному использованию каталитического вещества в периферийной зоне тела блока-носителя, поскольку внахлёст размещённые на боковых стенках блоканосителя торцы бандажей препятствуют проникновению в тело каталитического носителя отработавших газов.Analyzing the described device, we can note the complexity of its design, which determines the non-optimality of the mass-dimensional indicators. At the same time, the presence of mounting bandages leads to the non-optimal use of the catalytic substance in the peripheral zone of the body of the carrier block, since the ends of the bandages overlapped on the side walls of the carrier block prevent the penetration of exhaust gases into the body of the catalytic carrier.

Следует отметить, что оба типа описанных нейтрализаторов начинают эффективно работать (нейтрализовать химически активные продукты неполного сгорания) только при достижении определённой, достаточно высокой (несколько сот градусов Цельсия) температуры отработавших газов. А до этого периода, т.е. сразу после запуска и начальной стадии прогрева двигателя внутреннего сгорания, выхлоп в атмосферу осуществляется практически неочищенный.It should be noted that both types of the described converters begin to work effectively (neutralize chemically active products of incomplete combustion) only when a certain, rather high (several hundred degrees Celsius) temperature of the exhaust gases is reached. And before this period, i.e. immediately after the start and initial stage of heating the internal combustion engine, the exhaust into the atmosphere is almost untreated.

На сегодняшний день такая ситуация стала недопустимой, что потребовало введения ещё более жёстких норм по токсичности и, соответственно, создания ещё более совершенных конструкций, обеспечивающих эффективную работу нейтрализатора практически сразу после пуска двигателя внутреннего сгорания.To date, this situation has become unacceptable, which required the introduction of even more stringent toxicity standards and, accordingly, the creation of even more advanced designs that ensure the effective operation of the converter almost immediately after starting the internal combustion engine.

Эта техническая проблема решается двумя путями. Во-первых, появились конструкции нейтрализаторов с электрическими подогревателями, включение которых осуществляется перед запуском двигателя внутреннего сгорания, для предварительного подогрева до определённой температуры входного участка каталитического носителя, US № 5571485, МПК6 F01N 3/10, 1996.This technical problem is solved in two ways. Firstly, there were designs of neutralizers with electric heaters, the inclusion of which is carried out before starting the internal combustion engine, for preheating to a certain temperature the inlet section of the catalytic carrier, US No. 5571485, IPC6 F01N 3/10, 1996.

Второй технический приём заключается в максимальном приближении каталитического носителя к выхлопному клапану двигателя внутреннего сгорания, ЕПВ (ЕР) 0542002, F01N 3/28, 1993, либо путём размещения его непосредственно в полости выхлопного коллектора, DE 4236893, МПК5 F01N 3/28, от 19.05. 93; US 5388407, МПК5 F01N 3/20, от 14.02.95. Именно такой конструктивный приём заложен в предлагаемой ниже полезной модели.The second technique is to bring the catalytic support as close as possible to the exhaust valve of the internal combustion engine, EPO (EP) 0542002, F01N 3/28, 1993, or by placing it directly in the cavity of the exhaust manifold, DE 4236893, IPC5 F01N 3/28, from 19.05 . 93; US 5388407, IPC5 F01N 3/20, dated 02/14/95. Such a constructive technique is laid down in the utility model proposed below.

В качестве прототипа рассматривается каталитический коллектор системы выхлопа двигателя внутреннего сгорания, патент Японии № 63016118, МПК5 F01N 7/10, F01N 7/18, публ. 23.01.88, содержащий четыре отдельных трубопровода, входные концы которых подключены к выходным отверстиям в головке цилиндров двигателя внутреннего сгорания, а выходные концы сходятся в специальном кожухе, внутри которого размещён блок носитель каталитического вещества. Входные концы отдельных трубопроводов закреплены на головке цилиндров двигателя внутреннего сгорания посредством фланцевого соединения с помощью болтов. Выходные концы закреплены в кожухе посредством сварного соединения.As a prototype, the catalytic collector of the exhaust system of an internal combustion engine is considered, Japan patent No. 63016118, IPC5 F01N 7/10, F01N 7/18, publ. 01/23/88, containing four separate pipelines, the inlet ends of which are connected to the outlet openings in the cylinder head of the internal combustion engine, and the outlet ends converge in a special casing, inside which the catalyst carrier block is located. The inlet ends of individual pipelines are fixed to the cylinder head of the internal combustion engine by means of a flange connection using bolts. The output ends are fixed in the casing by means of a welded joint.

Решение технической задачи предусматривает создание эффективной и одновременно с этим недорогой и компактной конструкции каталитического коллектора..The solution to the technical problem involves the creation of an effective and at the same time inexpensive and compact design of the catalytic collector ..

Сущность полезной модели заключается в том, что в известном каталитическом коллекторе системы выхлопа двигателя внутреннего сгорания, содержащем две проточные трубы, одна из которых образована сходящимися на выходе патрубками первого и четвёртого цилиндров ДВС, а другая образована сходящимися на выходе патрубками второго и третьего цилиндров, верхние концы которых соединены с впускными отверстиями ДВС через отверстия в присоединительном фланце, а нижние концы труб сходятся в общей газоприёмной камере, снабжённой установочным элементом управляющего датчика кислорода, выполненной заодно с корпусом каталитического носителя, на выходе которого смонтирована газосмесительная камера сThe essence of the utility model lies in the fact that in the known catalytic manifold of the exhaust system of an internal combustion engine containing two flow tubes, one of which is formed by converging outlet pipes of the first and fourth ICE cylinders, and the other is formed by converging output pipes of the second and third cylinders, the upper the ends of which are connected to the intake openings of the internal combustion engine through the holes in the connecting flange, and the lower ends of the pipes converge in a common gas reception chamber equipped with a mounting element ohm oxygen sensor formed on a catalyst carrier body, which is mounted on the output Gas mixing chamber with

присоединительным фланцем к тракту выхлопа ДВС, каталитический носитель выполнен в виде единого металлического газопроницаемого цилиндрического моноблока, боковые стенки которого находятся в плотном контакте со стенками корпуса, общая газоприёмная камера частично размещена внутри корпуса каталитического носителя, с образованием неразъёмного телескопического соединения, при этом между наружными торцами газоприёмной камеры и торцевыми стенками моноблока образован зазор, величина которого составляет не менее половины толщины стенки -расположенной внутри корпуса части газоприёмной камеры, установочный элемент управляющего датчика кислорода расположен по оси потока газа, входящего в корпус каталитического носителя и на равных расстояниях от выходных срезов, соответственно, патрубков первого и четвёртого, и второго и третьего цилиндров, при этом газосмесительная камера снабжена установочным элементом диагностического датчика кислорода. Дополнительно корпус каталитического носителя охвачен с образованием воздушного зазора теплоизолирующим кожухом, снабжённым средствами снижения шума, выполненными в виде концентрично расположенных на стенках кожуха рёбер жёсткости.with a connecting flange to the ICE exhaust path, the catalytic support is made in the form of a single metal gas-permeable cylindrical monoblock, the side walls of which are in close contact with the walls of the housing, the common gas reception chamber is partially placed inside the housing of the catalytic support, with the formation of a permanent telescopic connection, while between the outer ends of the gas reception chamber and the end walls of the monoblock, a gap is formed, the value of which is at least half the wall thickness and the part of the gas reception chamber located inside the housing, the mounting element of the oxygen control sensor is located along the axis of the gas flow entering the catalytic support housing and at equal distances from the outlet sections, respectively, of the nozzles of the first and fourth, and second and third cylinders, while the gas mixing chamber equipped with a mounting element for a diagnostic oxygen sensor. Additionally, the casing of the catalytic carrier is covered with the formation of an air gap by a heat insulating casing equipped with noise reduction means made in the form of stiffening ribs concentrically located on the casing walls.

Сущность полезной модели поясняется на чертежах, где на фиг. 1, 2 и 3 представлены три варианта конструктивного исполнения каталитического коллектора.The essence of the utility model is illustrated in the drawings, where in FIG. 1, 2 and 3, there are three options for the design of the catalytic collector.

Каталитический коллектор системы выхлопа ДВС содержит две проточные трубы 1 и 2, одна из которых образована сходящимися на выходе патрубками 3 и 4, соответственно, первого и четвёртого цилиндров ДВС, а другая образована сходящимися на выходе патрубками 5 и 6, соответственно, второго и третьего цилиндров, верхние концы которых соединены с впускными отверстиями ДВС через отверстия в присоединительном фланце 7, а нижние концы труб сходятся в общей газоприёмной камере 8, снабжённой установочным элементом 9 (резьбовая втулка) управляющего датчика кислорода. Газоприёмная камера 8 выполнена заодно с корпусом 10 каталитического носителя 11, на выходе которого смонтирована газосмесительная камера 12 с присоединительным фланцем 13 к тракту выхлопа ДВС. Каталитический носитель 11 выполнен в виде единого металлического газопроницаемого цилиндрического моноблока, боковые стенки которого находятся в плотном контакте со стенками корпуса 10, общая газоприёмная камера 8 частично размещена внутри корпуса 10 каталитическогоThe catalytic manifold of the internal combustion engine exhaust system contains two flow pipes 1 and 2, one of which is formed by converging outlet pipes 3 and 4, respectively, of the first and fourth internal combustion engine cylinders, and the other is formed by converging outlet pipes 5 and 6, respectively, of the second and third cylinders , the upper ends of which are connected to the intake openings of the internal combustion engine through the holes in the connecting flange 7, and the lower ends of the pipes converge in a common gas reception chamber 8, equipped with a mounting element 9 (threaded sleeve) of the control sensor oxygen. The gas reception chamber 8 is made integral with the housing 10 of the catalytic carrier 11, at the outlet of which a gas mixing chamber 12 is mounted with a connecting flange 13 to the exhaust path of the internal combustion engine. The catalytic carrier 11 is made in the form of a single metal gas-permeable cylindrical monoblock, the side walls of which are in close contact with the walls of the housing 10, the common gas receiving chamber 8 is partially located inside the housing 10 of the catalytic

носителя, с образованием неразъёмного телескопического соединения (сварное соединение), при этом между наружными торцами 14 газоприёмной камеры и торцевыми стенками 15 моноблока 11 образован зазор s, величина которого составляет не менее половины толщины стенки расположенной внутри корпуса части газоприёмной камеры. Установочный элемент 9 управляющего датчика кислорода расположен по оси потока газа, входящего в корпус 10 каталитического носителя 11 и на равных расстояниях от выходных срезов, соответственно, патрубков 3 и 4 первого и четвёртого, и 5 и 6 второго и третьего цилиндров, при этом газосмесительная камера 12 снабжена установочным элементом 16 диапностического датчика кислорода. Дополнительно корпус 10 каталитического носителя 11 охвачен с образованием воздушного зазора теплоизолирующим кожухом 17, снабжённым средствами снижения шума, выполненными в виде концентрично расположенных на стенках кожуха рёбер 18 жёсткости.carrier, with the formation of a permanent telescopic connection (welded joint), while between the outer ends 14 of the gas reception chamber and the end walls 15 of the monoblock 11, a gap s is formed, the value of which is at least half the wall thickness of the part of the gas reception chamber located inside the housing. The mounting element 9 of the oxygen control sensor is located along the axis of the gas flow entering the housing 10 of the catalytic carrier 11 and at equal distances from the outlet sections, respectively, of the nozzles 3 and 4 of the first and fourth, and 5 and 6 of the second and third cylinders, while the gas mixing chamber 12 is provided with a mounting member 16 of an oxygen diagnostic sensor. Additionally, the housing 10 of the catalytic carrier 11 is covered with the formation of an air gap by a heat-insulating casing 17, equipped with noise reduction means made in the form of stiffening ribs 18 concentrically arranged on the walls of the casing.

Предложенное техническое решение промышленно применимо, поскольку оно может быть использовано промышленным способом в автомобилестроении и других областях народного хозяйства, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо.The proposed technical solution is industrially applicable, since it can be used industrially in the automotive industry and other areas of the national economy, workable, feasible and reproducible.

Работает каталитический коллектор обычным образом. Отработавшие газы поступают через патрубки 3...6 в полость газоприёмной камеры 8, просачиваются через поры каталитического носителя 11, очищаются при этом от токсичных веществ до требуемого стандартами уровня и отводятся через газосмесительную камеру 12 в трассу системы выхлопа и шумоглушения и далее в атмосферу.The catalytic manifold operates in the usual manner. The exhaust gases enter through the pipes 3 ... 6 into the cavity of the gas reception chamber 8, leak through the pores of the catalytic carrier 11, are cleaned from toxic substances to the level required by the standards and are discharged through the gas mixing chamber 12 to the exhaust and sound attenuation system and then to the atmosphere.

Расположение установочного элемента 9 управляющего датчика кислорода по оси потока газа, входящего в корпус 10 каталитического носителя 11 и на равных расстояниях от выходных срезов, соответственно, патрубков 3 и 4 первого и четвёртого, и 5 и 6 второго и третьего цилиндров, позволяет наиболее точно снимать показания датчика по химическому составу отработавших газов. Поскольку именно в этой зоне происходит встреча всех четырёх потоков отработавших газов в газоприёмной камере 8.The location of the installation element 9 of the control oxygen sensor along the axis of the gas flow entering the housing 10 of the catalytic carrier 11 and at equal distances from the output sections, respectively, of the nozzles 3 and 4 of the first and fourth, and 5 and 6 of the second and third cylinders, allows you to most accurately remove sensor readings on the chemical composition of the exhaust gases. Since it is in this zone that all four flows of exhaust gases meet in the gas reception chamber 8.

камера 8 частично размещена внутри корпуса 10 каталитического носителя, с образованием неразъёмного телескопического соединения (сварное соединение), с образованием между наружными торцами 14 газоприёмной камеры и торцевыми стенками 15 моноблока 11 достаточно большого зазора s, (величина которого составляет не менее половины толщины стенки расположенной внутри корпуса части газоприёмной камеры, позволяет наиболее полно и эффективно использовать всю структуру каталитического носителя для очистки отработавших газов.the chamber 8 is partially placed inside the catalytic support housing 10, with the formation of an integral telescopic connection (welded joint), with the formation of a sufficiently large gap s between the outer ends 14 of the gas reception chamber and the end walls 15 of the monoblock 11 (the value of which is not less than half the wall thickness located inside the housing part of the gas reception chamber allows the most complete and efficient use of the entire structure of the catalytic carrier for purification of exhaust gases.

Использование заявленного технического решения позволяет создать недорогую и компактную конструкцию эффективного нейтрализатора, повысить конкурентоспособность отечественных автомобилей за счёт соответствия их экологической безопасности мировым стандартам, снизить загрязнение воздуха в населённых пунктах токсичными компонентами отработавших газов автотранспортных средств, силовой агрегат которых выполнен на базе двигателя внутреннего сгорания. Using the claimed technical solution allows you to create an inexpensive and compact design of an effective converter, increase the competitiveness of domestic cars due to their environmental safety according to international standards, reduce air pollution in settlements with toxic components of exhaust gases of vehicles, the power unit of which is based on an internal combustion engine.

Claims

1. The catalytic manifold of the exhaust system of an internal combustion engine, containing two flow tubes, one of which is formed by converging at the outlet pipes of the first and fourth cylinders of the internal combustion engine, and the other is formed by converging at the output pipes of the second and third cylinders, the upper ends of which are connected to the inlet openings of the internal combustion engine through holes in the connecting flange, and the lower ends of the pipes converge in a common gas reception chamber, equipped with a mounting element of a control oxygen sensor, made integral with housing of the catalytic carrier, at the output of which a gas mixing chamber is mounted with a connecting flange to the engine exhaust path, characterized in that the catalytic carrier is made in the form of a single metal gas-permeable cylindrical monoblock, the side walls of which are in tight contact with the walls of the housing, the common gas reception chamber is partially located inside the housing of the catalytic carrier with the formation of an integral telescopic connection, while between the outer ends of the gas receiving chamber the gap and the end walls of the monoblock, a gap is formed, the value of which is at least half the wall thickness of the part of the gas reception chamber located inside the housing, the installation element of the oxygen control sensor is located along the axis of the gas flow entering the casing of the catalytic carrier and at equal distances from the outlet sections of the first and the fourth, and second, and third cylinders, while the gas mixing chamber is equipped with a mounting element of a diagnostic oxygen sensor.

2. The catalytic collector according to claim 1, characterized in that the housing of the catalytic carrier is covered with an air gap by a heat insulating casing provided with noise reduction means made in the form of stiffening ribs concentrically arranged on the casing walls.